低頻QPO發(fā)現于上世紀80年代，是一種在X射線雙星中普遍存在的時變現象，表現為光變曲線上出現類似周期性但是并非精確周期性的調制。30多年來，低頻QPO的起源一直是致密天體研究的一個未解

我國首顆空間X射線衛(wèi)星“慧眼”衛(wèi)星在高于200千電子伏特(keV)的能段發(fā)現了黑洞雙星系統(tǒng)的低頻準周期振蕩(quasi-periodic oscillation，QPO)，這是迄今為止發(fā)現的能量最高的低頻QPO現象。研究表明，其起源于黑洞視界附近的相對論噴流(向外高速運動的等離子體流)的進動，為解決一直以來存在爭議的低頻QPO物理起源問題提供了重要依據。

這一成果由中國科學院高能物理研究所、英國南安普頓大學、德國圖賓根大學、中國科學院上海天文臺等單位的研究人員共同完成，在線發(fā)表于9月21日出版的國際學術期刊《自然·天文學》上。

低頻QPO發(fā)現于上世紀80年代，是一種在X射線雙星中普遍存在的時變現象，表現為光變曲線上出現類似周期性但是并非精確周期性的調制。30多年來，低頻QPO的起源一直是致密天體研究的一個未解難題。目前，存在兩類最為流行的模型解釋低頻QPO現象，即物質在旋轉落向黑洞的過程中形成的吸積盤上的不穩(wěn)定性導致X射線輻射產生振蕩，或者靠近黑洞的冕狀X射線輻射區(qū)的進動或振蕩導致X射線輻射產生準周期調制。

但在“慧眼”衛(wèi)星之前，X射線衛(wèi)星只具有在30keV以下的能區(qū)研究低頻QPO的能力，很難區(qū)分這些模型。“慧眼”衛(wèi)星的有效能段為1-250keV，并且在30keV以上具有最大的有效面積，科學家們期待“慧眼”的發(fā)現能對相關理論模型進行更加嚴格的檢驗。

2018年3月11日，黑洞X射線雙星(由一個幾倍太陽質量的黑洞和一個恒星組成的雙星系統(tǒng))MAXI J1820+070發(fā)生爆發(fā)，在相當長一段時間里是天空中最亮的X射線源之一。“慧眼”衛(wèi)星對這一重要天體進行了長達幾個月的高頻次定點觀測，積累了海量的觀測數據。

基于這些觀測數據，研究團隊發(fā)現MAXI J1820+070在很寬的能段范圍內都存在低頻QPO現象，最高能量超過200keV，比“慧眼”衛(wèi)星之前的QPO能量上限幾乎提高了一個數量級，說明該QPO并不來自吸積盤的熱輻射區(qū)域。進一步的研究還表明，QPO的頻率和變化幅度都不隨能量改變，且能量較低的QPO晚于能量較高的QPO產生，這些都和已有的流行模型嚴重沖突。因此研究團隊提出，該低頻QPO應該產生于黑洞視界附近噴流的進動，很可能是黑洞自轉產生的廣義相對論的參考系拖曳效應產生的。

噴流是運動速度接近光速的高速物質流，以前在射電、可見光和X射線波段從很多黑洞X射線雙星系統(tǒng)以及中心是超大質量黑洞(質量是百萬到百億倍太陽質量)的遙遠類星體中都觀測到過，是黑洞系統(tǒng)的一種主要觀測特征，也是黑洞系統(tǒng)在吞噬周圍物質的過程中對周圍環(huán)境產生顯著反饋影響的一種主要手段。但是這些噴流距離黑洞都非常遠(通常位于黑洞視界半徑百萬倍以上的距離，而在這樣的距離處黑洞的引力實際上已經不起作用了)，因此并不清楚這些噴流到底起源于距離黑洞多遠的位置，以及是如何從黑洞的強引力場中逃出并且被加速到接近光速的。

“慧眼”衛(wèi)星的觀測第一次將噴流的源頭定位到距離黑洞上百公里(幾倍黑洞視界半徑)的區(qū)域，這是迄今為止觀測到的距離黑洞最近的相對論噴流，對于研究黑洞附近的廣義相對論效應、物質動力學過程和輻射機制等具有重大意義。

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